Industrielle Röntgentechnik

Die Röntgentechnik gewinnt zunhmend an Bedeutung in der Qualitätssicherung, die mittlerweile zu einem unverzichtbaren Bestandteil des industriellen Produktionsprozesses geworden ist. Im Rahmen von Null-Fehler-Konzepten wird eine 100-Prozent-Inspektion in der Produktion angestrebt. Oft lässt eine visuelle Oberflächenprüfung jedoch keine ausreichenden Rückschlüsse auf die Qualität eines Werkstücks zu. Verdeckte Fehlstellen wie Lunker, Poren oder mangelhafte Fügeverbindungen sind äußerlich kaum erkennbar, können sich jedoch erheblich qualitätsmindernd und sicherheitskritisch auswirken.

Mit Hilfe zerstörungsfreier Prüfverfahren wie röntgenbasierten Inspektionsverfahren, können daher im Materialinneren verborgene Strukturen beliebig komplexer Objekte aus fast allen Werkstoffen mit hoher Genauigkeit zerstörungsfrei erfasst und charakterisiert werden. Durch das bildgebende Funktionsprinzip können viele bewährte Verfahren der klassischen Bildverarbeitung für eine automatische Fehlererkennung adaptiert werden.

Je nach Größe des Prüfobjekts und Anwendungsbereich kommen unterschiedliche Geräte und Anlagen zum Einsatz: Mobile Systeme, etwa CTportable, ermöglichen CT-Messungen an kleinen Proben direkt vor Ort, robotergestützte Computertomographie prüft große und komplex geformte Bauteile flexibel von allen Seiten, und XXL-Computertomographie erfasst selbst komplette Fahrzeuge oder Schiffscontainer vollständig dreidimensional.

Eine neue Systemgeneration namens GiantEye befindet sich derzeit im Aufbau und setzt dabei auf eine Gantry-Bauweise: Statt wie bisher üblich in einer Turmkonstruktion das Objekt vertikal abzutasten, rotieren Röntgenquelle und Detektor bei diesem Prinzip um das Objekt herum, sodass sich etwa Fahrzeuge künftig in ihrer natürlichen Straßenlage scannen lassen, was Handhabung und Sicherheit deutlich verbessert, unter anderem beim Umgang mit Hochvoltspeichern in Elektrofahrzeugen.

Ein bereits realisiertes Beispiel für dieses Funktionsprinzip ist das Gantry-CT-System »Gulliver«, das speziell für die Untersuchung von stahl- und faserbewehrtem Beton entwickelt wurde.

Digitale Radioskopie

Bei der Radioskopie emittiert eine Röntgenquelle Röntgenstrahlung, die Objekte durchdringen kann. Die Strahlung wird dabei in Abhängigkeit vom Material des Prüfobjekts (Dichte, Absorption) und der im Prüfobjekt zurückgelegten Wegstrecke, z. B. dessen Wandstärke, abgeschwächt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Quelle sammelt ein Detektor die einfallende Strahlung ein und erzeugt ein Schattenbild; Defekte zeichnen sich durch eine im Vergleich zur direkten Umgebung unterschiedliche Absorption ab.

Aufgrund ihrer hohen Prüfgeschwindigkeit eignet sich die Radioskopie besonders für die Inline-Prüfung und bildet in der Praxis häufig die erste Prüfstufe: Bei auffälligen Befunden erfolgt anschließend eine Detailuntersuchung mittels 3D-Computertomographie.

Typische Anwendungsbereiche der digitalen Radioskopie sind unter anderem die Gussteil-, Schweißnaht-, Korrosions-, Bauwerks- und Elektronikprüfung sowie die Lebensmittelkontrolle.

3D-Computertomographie

Im Unterschied zur Radioskopie werden bei der 3D-Computertomographie mehrere Röntgenbilder desselben Objekts aus unterschiedlichen Richtungen, sogenannte Projektionen, erzeugt. Anders als bei CT-Geräten im medizinischen Bereich wird das Objekt bei industriellen CT-Systemen häufig auf einem Drehteller fixiert und zwischen Röntgenröhre und Detektor platziert; während der Rotation um die eigene Achse werden die Projektionen aufgenommen. Aus den Projektionen lässt sich ein vollständiges 3D-Volumenbild mit allen innenliegenden Strukturen rekonstruieren, das auch die Lagebestimmung von Defekten ermöglicht.

Darüber hinaus lässt sich Computertomographie als Messmittel einsetzen – als Alternative zur klassischen Koordinatenmesstechnik, für Rapid Prototyping und Reverse Engineering sowie als quantitatives Messinstrument für physikalische Materialeigenschaften. Auch die Mikrostruktur von Werkstoffen wie Metall- oder Keramikschäumen, Sintermaterial oder Beton lässt sich anhand der mit Röntgen-CT erzeugten Volumenbilder analysieren.

(Computer-)Laminographie

Sind die zu prüfenden Objekte sehr groß, fest in Apparaten verbaut und/oder nicht von allen Seiten zugänglich, können laminographische Verfahren eingesetzt werden. Das Grundprinzip der Laminographie besteht darin, dass das flächige oder fest eingebaute Prüfobjekt unter verschiedenen Winkeln, aber grundsätzlich nur von einer Seite aus, durchstrahlt wird, wobei zwei der drei Komponenten Röntgenröhre, Objekt und Detektor koordiniert bewegt werden.

Eingesetzt wird die Computerlaminographie traditionell zur Untersuchung elektronischer Leiterplatten sowie zunehmend bei großflächigen Leichtbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (CFK, GFK), etwa in Windkraft-, Automobil- oder Luftfahrtanwendungen. Damit eignet sich die Laminographie insbesondere für die schichtweise Untersuchung großer flächiger Bauteile aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Windkraft, Automobilbau sowie Elektronik.

Hochenergie-Computertomographie

Für besonders dichte oder großvolumige Prüfobjekte, die mit konventionellen Röntgenröhren nicht mehr ausreichend durchdrungen werden können, kommt die Hochenergie-Computertomographie zum Einsatz. Anstelle einer klassischen Röntgenröhre kommt dabei ein Linearbeschleuniger mit Röntgenenergien zwischen 6 und 9 MeV zum Einsatz, wodurch sich Materialstärken von etwa 20 cm Stahl oder 60 cm Aluminium durchdringen lassen. Dabei lassen sich auch Objekte aus mehreren Materialien unterschiedlicher Dichte relativ artefaktfrei abbilden.Damit eignet sich die Hochenergie-Computertomographie besonders für dichte Objekte wie Bauteile aus Platin- oder Nickelbasis-Legierungen ebenso wie für schwach absorbierende Objekte mit metallischen Einlegern, etwa Kohlefaserverbundwerkstoffe.

Eingesetzt wird die Hochenergie-Computertomographie unter anderem in der Betonforschung zur zerstörungsfreien Analyse von Rissstrukturen in stahl- oder faserbewehrtem Beton, in der Batterie- und Fahrzeugprüfung im Zuge der Elektromobilität sowie bei der Crashanalyse und der zerstörungsfreien Digitalisierung von Kulturgütern.

XXL-Computertomographie

Für sehr große Objekte wie komplette Fahrzeuge kommt die XXL-Computertomographie in Turmbauweise zum Einsatz. Das Funktionsprinzip beruht vollständig auf der zeilenweisen Erfassung des Prüfobjekts aus zahlreichen Betrachtungswinkeln: Ein 9-MeV-Linearbeschleuniger und die Detektoreinheit werden dabei auf einem präzisen Manipulationssystem synchron vertikal verfahren, während sich das Objekt auf einem belastbaren Drehteller dreht. Durch die Reduzierung des Röntgenstrahls auf eine einzelne sensitive Detektorzeile ist das System weniger anfällig für Streustrahlung und erreicht dadurch auch bei sehr großen und massiven Objekten eine räumliche Detailerfassung von bis zu 400 µm. Im Vergleich zur Hochenergie-Computertomographie mit großflächigem Detektor steigt die Messzeit durch die zeilenweise Abtastung bei großvolumigen Prüfkörpern deutlich an, auf bis zu mehrere Tage. Objekte, die den Durchmesser des Drehtellers überschreiten, lassen sich in speziellen Rahmenkonstruktionen dennoch über ihre gesamte Länge erfassen, etwa stehend positionierte Elektrofahrzeuge.